计算机虚拟化在无线电监测中的应用

国家无线电监测中心 陈旭彬 刘海洋

一、引言

计算机虚拟化是资源的逻辑表示，这种表示不受物理限制的约束，它的主要目标是对包括基础设施、系统和软件等IT资源的表示、访问、配置和管理进行简化，并为这些资源提供标准的接口来接收输入和提供输出。

计算机虚拟化技术包括两个层面，一是硬件层面的虚拟化，二是软件层面的虚拟化。实际上，我们通常所说的虚拟化是指服务器虚拟化技术，此外，在应用层、表示层、桌面、存储和网络都可以做全方位的虚拟化。

二、计算机虚拟化技术分类

（1）网络虚拟化。通常包括虚拟局域网和虚拟专用网。虚拟局域网是其典型的代表，它可以将一个物理局域网划分成多个虚拟局域网，或者将多个物理局域网中的节点划分到一个虚拟局域网中，从而提供一个灵活便捷的网络管理环境，使得大型网络更加易于管理，可以通过集中配置不同位置的物理设备来实现网络的最优化。虚拟专用网帮助管理员维护IT环境，防止来自内网或者外网中的威胁，使用户能够快速、安全地访问应用程序和数据。目前，虚拟专用网大量在办公环境中使用。

（2）存储虚拟化。就是为主机的物理存储器创建虚拟存储资源的过程。通过虚拟化技术，多个存储介质模块（如硬盘、RAID）通过一定的手段集中管理起来，所有的存储模块在一个存储池中得到统一管理。

（3）桌面虚拟化。桌面虚拟化技术（Desktop virtualization或Virtual Desktop Infrastructure），是一种基于服务器的计算模型，并且借用了传统的瘦客户端的模型，让管理员与用户能够同时获得两种方式的优点：将所有桌面虚拟机在数据中心进行托管并统一管理；同时用户能够获得完整PC的使用体验。桌面虚拟化最大的好处在于能够使用软件从集中的某个位置来配置PC及其他客户端设备，这样方便了企业用户集中管理计算机，运维部门可以在数据中心加强对应用软件、系统补丁、杀毒软件的管理和控制。

（4）应用程序虚拟化。即在一台计算机上显示和操作计算机桌面，在另一台计算机上执行程序和存储信息。

（5）服务器虚拟化。服务器虚拟化可以说是最为熟悉的，也是应用最广泛的，它让多个操作系统和应用程序同时运行在不同的虚拟机上，而这些虚拟机建立在同一个物理服务器上。但是，一个服务器上的虚拟服务器的数量取决于硬件的能力，所有虚拟服务器共享相同的硬件，但相互独立运行，单独的虚拟服务器可以自行升级、启动，不会影响到其他虚拟服务器。服务器虚拟化解决了物理服务器环境下存在的诸多问题，通过虚拟化层可以隔离同一台机器上、不同操作系统中运行的程序，避免资源的冲突。另外，服务器虚拟化可以动态移动没有充分利用的硬件资源到最需要应用的程序中，从而提高底层硬件资源的利用率。

本文重点介绍的虚拟化技术是服务器虚拟化技术和桌面虚拟化技术。

三、服务器虚拟化的实现方式

在服务器虚拟化技术中，物理的计算机硬件和软件环境称为“服务器”，而模拟出来的计算机称为虚拟机（Virtual Machine，简称VM）。服务器虚拟化技术的实质是通过中间层次实现服务器计算机硬件和软件资源的管理和再分配，实现资源利用的最大化。服务器虚拟化分区技术带来的最大好处是，使同一物理平台能够同时运行多个同类或不同类型的操作系统，以分别作为不同业务和应用的支撑平台。

在具体的服务器虚拟化实现技术中，主要有纯软件的虚拟化技术和硬件辅助虚拟化技术两种。纯软件方式实现的虚拟机在测试、验证和管理维护方面比较费时，同时二进制码的翻译需要消耗处理器的很多计算资源，因此，纯软件虚拟化运行时的开销会造成系统运行速度变慢。硬件虚拟化技术能达到与VM等软件虚拟化技术同样的虚拟效果，但又有所不同，硬件虚拟化技术是一个巨大的技术进步，具体表现在减少软件虚拟机相关开销和支持更广泛的操作系统方面，硬件虚拟化技术将核心的编译过程整合到了芯片中，在编译速度和兼容性方面有了更高的提升。

服务器虚拟化具有如下的特点：

⊙ 减少服务器的数量，提供一种服务器资源整合的方法，减少初期硬件采购成本。

⊙ 简化服务器的部署、管理和维护工作，降低管理费用。

⊙ 提高服务器资源的利用率，提高服务器计算能力。

⊙ 提高可用性，具有透明负载均衡、动态迁移、故障自动隔离、系统自动重构的高可靠服务器应用环境。

⊙ 在不中断用户工作的情况下进行系统更新。

⊙ 快速转移和复制虚拟服务器，提供一种简单便捷的灾难恢复解决方案。

四、桌面虚拟化的构建架构

基于虚拟化技术的分布式应用处理分系统，以桌面虚拟化方式构建在虚拟化服务之上，允许多个虚拟化用户桌面以虚拟机的形式独立运行，同时共享 CPU、内存、网络连接和存储器等底层物理硬件资源。这种架构将用户彼此隔离开来，使每位用户都拥有自己的操作系统，同时可以实现精确的资源分配。在虚拟桌面中安装相应系统软件，交付最终用户使用。使用虚拟桌面，用户界面和原有使用模式相同，同时所有桌面在后台进行托管，可以达到良好管理和便于升级的效果。其体系架构如图1所示。

虚拟桌面系统在中心机房的虚拟化基础平台上运行，所有系统与应用均部署在虚拟桌面系统中，无需在用户桌面设备上安装，维护管理工作均可在数据中心完成，包括新应用部署、应用升级、补丁升级以及系统重置等操作；另外，虚拟桌面具有硬件无关性特性，即一个虚拟桌面可以在任何一个物理平台上运行，因此可利用该特性实现桌面管理的标准化，这些特性可大大简化桌面应用的管理维护工作。

另外，同一部门的客户端所需的应用通常完全相同，因此，可以利用这一特点为相同类型的用户创建标准的虚拟桌面模板，并利用链接克隆技术为相同类型的用户置备虚拟桌面。

图1 桌面虚拟化技术体系架构示意图

五、虚拟化技术在短波监测和测向系统中的应用

国家无线电短波监测和测向定位系统具备对我国乃至全球短波无线电信号进行全时段、不间断的监测和测向分析能力。目前绝大多数短波测向系统采用相关干涉仪测向体制，联网交会定位系统一般采用2～3站交会定位方式对短波发射源进行定位。

1. 在短波单站监测和测向系统中的应用

对于一个短波信号的监测和测向基本包含以下三大步骤：数据库遴选信号、在监听机上监听信号并利用测向系统对信号进行测向、在地理信息地图上利用单站定位或联网多站交会方法对信号进行准确定位。在利用桌面虚拟化之前，往往需要三个工作人员分别在三台独立的工作站上相互配合完成上述工作，消耗的人力和物力资源较多；然而，使用桌面虚拟化技术后（如图2），一个人在一台工作站上即可完成上述工作，一套鼠标键盘等输入设备即可完成对三个步骤的完全操控，达到了对资源的最优配置。

图2 短波监测和测向桌面虚拟化示意图

2. 在短波测向及联网交会定位系统中的应用

联网交会定位即通过2～3个固定测向站在同一时间对同一信号进行监测测向，并由其中某一个站收集所有其他各站测向信息并利用交会方式确定发射源位置的一种无线电信号定位方式。利用服务器虚拟化技术，在远端各站已建好监测和测向天线的基础上，只需在本地建设一套工作站系统，即可完成全部上述工作（如图3）。工作时，本地工作站为远端所有站天线提供服务器级服务，好比是每个远端站都各自拥有一套完整的工作站一样，能够各自“独立”完成对同一信号的监测和测向工作，然而在物理上，仅有本地一套工作站系统而已，最终本地工作站将综合远端各站及本站测试信息，给出最终测试结果。这样不仅无形中节省了远端站工作站建设的开支，并且在一定程度上加强了对系统的管理，同时也便于对系统的维护和升级。

图3 在短波测向及联网交会定位桌面虚拟化示意图

六、虚拟化技术在卫星干扰源定位系统中的应用

卫星干扰源定位系统采用了先进的“双星”定位原理，利用测得的到达时间差（TDOA）和到达频率差（FDOA）参数，结合测试时的两颗星的空间星历数据，来推算发射源在地面的地理位置。

由于卫星干扰源定位系统对测时精度和测频精度要求很高，并且定位算法也相当复杂，因而导致整个系统的造价相当高。国家无线电监测中心在北京和深圳监测站虽然都部署了卫星干扰源定位系统，但由于执行干扰源定位的任务繁重，很难利用该系统开展技术培训，且少有时间进行系统的维护保养。虚拟化技术尤其是服务器虚拟化和桌面虚拟化为上述问题提供了解决思路和有效的实现方式。

1. 开展卫星干扰源技术培训

利用服务器虚拟化技术，可以将一台物理的卫星干扰源定位系统虚拟化为多台“虚拟机”，对操作者来说，每台虚拟机都是一套卫星干扰源定位系统，操作员可以进行选择邻星、参考源、采集信号、定位计算等操作，执行不同的定位任务。这种场景典型的应用在利用卫星干扰源定位系统进行技术培训中，可以将一台卫星干扰源定位系统的使用效率发挥到最大的程度，达到培训目的（见图4）。

图4 开展技术培训示意图

2. 对卫星干扰源定位系统进行远程诊断和维护

由于卫星干扰源定位系统部署地点和生产研制单位不在同一城市，这样，需要维护和故障诊断时，生产研制单位就派出维修人员到卫星干扰源系统安装地点进行维修维护。利用虚拟化服务器和虚拟化桌面技术，可以实现系统故障的远程诊断和维护。当系统出现故障时，启动远程诊断和维护模式，即虚拟化出一套完整的卫星干扰源定位系统，维护人员不用到达故障现场，在卫星干扰源定位系统所在局域网的任何一个节点即可完成维护工作，并且维护诊断过程中，不影响卫星干扰源定位系统执行其他的定位任务（见图5）。

图5 对卫星干扰源定位系统进行远程诊断维护示意图

七、结束语

计算机虚拟化技术基于硬件系统的强大支撑能力，在不额外添加硬件设备条件下，充分挖掘现有硬件的潜力，提高硬件的利用率，同时提高了信息传输及沟通的效率，解放了劳动力，在不增加或很少增加现有资源的情况下获得了更多的回报。随着短波交会定位技术的发展和卫星干扰源定位系统由进口设备到国产化设备的迁移和转换，更多更先进的计算机虚拟化技术应用到系统研制中成为可能。